Latent heat thermal energy storage from wood stoves with high-density polyethylene as phase change material

Abstract

Vedovner har i lang tid vært en viktig kilde til oppvarmning i Norden, men den typiske husstand blir bedre og bedre isolert for å redusere behovet for oppvarming. En vedovn vil vanligvis levere mer varme enn det som er nødvendig for nyere og bedre isolerte hjem. For å effektivt utnytte vedovn som oppvarmingskilde trenger vi dermed løsninger for å redusere den høye varmeavgivelsen fra en vedovn, samt spre den utover et lengre tidsrom.

Latent termisk energilagring er et spennende konsept for midlertidig lagring av termisk energi. Tradisjonelt sett har varme fra vedovner blitt lagret ved hjelp av kleberstein. Ved å benytte et latent termisk energilager i stedet er det mulig å lagre 5-14 ganger så mye energi per volum. Hjørnesteinen i et hvert latent termisk energilager er faseendringsmaterialet. Når man skal velge riktig faseendringsmateriale er det flere faktorer å ta hensyn til. En ønsker å lagre så mye energi som mulig. Videre er det viktig at faseendringstemperaturen passer med den termiske prosessen som lageret er tilknyttet slik at en får utnyttet den latente delen best mulig. For et termisk lager tilknyttet en vedovn er det også viktig å vurdere mulige helsefarer ved materialet, ettersom at det skal plasseres innendørs.

Formålet med denne masteroppgaven er å undersøke et nytt konsept for latent varmelagring fra vedovner. Hovedfokuset er rettet mot varmeavgivelsen fra lageret etter endt fyring. Først er det gjennomført et søk etter mulige faseendringsmaterialer. Faseendringsmaterialene ble i hovedsak vurdert etter faseendringstemperatur, latent varmekapasitet og mulige helsefarer. Basert på søket ble polyetylen med høy tetthet (HDPE) valgt som faseendringsmateriale. Videre ble det forsøkt å estimere den latente varmekapasiteten, den spesifikke varmekapasiteten og faseendringstemperaturen ved hjelp av ''Differential Scanning Calorimetry (DSC)''. Og ved hjelp av en ''Hot Disk Transient Plane Source (TPS)'' analyse ble det forsøkt å bestemme den termiske konduktiviteten til HDPE. En CFD model basert på et latent varmelager ble utviklet, og med realistiske grense- og initialbetingelser ble den testet for ladning og utladning. I modellen ble vertikalt orienterte platefinner i stål benyttet for å forbedre varmeledningen inn og ut. Basert på resultatene fra denne numeriske undersøkelsen ble en fysisk enhet designet og testet i laboratoriet.

Konklusjonene fra denne studien indikerer at HDPE fremstår som et godt faseendringsmateriale for latent varmelagring fra vedovner. De numeriske undersøkelsene indikerte at 3 mm tykke, vertikalt orienterte platefinner i svartstål kunne sikre en tilfredsstillende varmeavgivelse ved utladning av lageret. Fra de eksperimentelle undersøkelsene ble det observert at lokal ekspansjon av HDPE kunne medføre utfordringer der deler av HDPE-en blir presset opp og ut av lageret. Ved bruk av vertikale platefinner er det foreslått at disse må strekke seg fra inner- til yttervegg og dermed dele opp totalvolumet i mindre deler. Videre undersøkelser av utfordringer og løsninger ved lokal ekspansjon er foreslått.

Wood stoves have a long history of providing thermal comfort in the Nordic climate. Households are steadily becoming more insulated to reduce their heating demand, while wood stoves typically have a high heat release. The results is that utilizing wood stoves for heating in modern homes gives a mismatch in the heat required and delivered. Therefore new solutions are required to reduce potential overheating.

Latent heat thermal energy storage (LHTES) is an exciting concept for intermediate thermal energy storage. Traditionally, energy from wood-firing has been stored in soapstone or other types of rock. An LHTES can hold 5-14 times the energy per volume compared to a sensible storage. The cornerstone in an LHTES is the Phase Change Material (PCM). Several important considerations are needed regarding the choice of PCM, like the ability to store as much energy as possible. Furthermore, a phase change temperature in connection with the thermal process is essential to utilize the latent part of the energy storage. For an application placed in a household, potential health hazards also need to be considered.

The purpose of this thesis was thus to investigate a novel concept of LHTES in wood stoves. The main focus was directed at the heat release period post-combustion. First, a search for a suitable PCM was conducted. Important considerations were melting temperature, latent heat of fusion, and health hazards. High-density polyethylene(HDPE) was the PCM of choice. Attempts at characterizing thermo-physical properties of HDPE were carried out through a Differential Scanning Calorimetry (DSC) analysis and Hot Disk Transient Plane Source (TPS) analysis. These properties were latent heat of fusion, phase change temperature, specific heat capacity, and thermal conductivity. A Computational Fluid Dynamics (CFD) model of the LHTES concept with vertical plate fins as heat transfer enhancement was developed and tested for charging and discharging, with realistic initial and boundary conditions. Based on the numerical model, an experimental test container was designed, and tests were conducted with different degrees of insulation.

Conclusions from this thesis indicate that HDPE appears to be a viable choice as PCM for the LHTES concept on top of a wood stove. Numerical investigations revealed that a vertical arrangement of 3 mm thick steel plates as heat transfer enhancement could ensure satisfactory discharging. From experimental testing, it was observed that local expansion of HDPE could cause issues with overflow, and it is suggested that with a vertical plate fin arrangement, they should extend through the entire volume and thereby separate the volume into smaller parts. It is also recommended to explore other solutions to the issue of local expansion.